日本理化学研究所（RIKEN）的科学家们已经发现了如何利用一种专门的晶体管技术操纵二硫化钼，使其成为超导体、金属、半导体或绝缘体。
通过插入钾离子和调整条件，他们可以引发材料电子状态的巨大变化，甚至出人意料地将其变成超导体或绝缘体。这种对单一二维材料的新水平控制，可能会在下一代电子学和超导研究中开启令人兴奋的突破。
解锁单一材料的多功能性
RIKEN的一个物理学家团队开发了一种基于晶体管的技术，该技术允许单层材料具有广泛的电子行为，可以作为超导体、金属、半导体或绝缘体。这种方法可能会导致新的超导材料的发现。
“从材料科学的角度来看，基于单一材料的各种电子特性对我们来说非常有趣，”RIKEN新兴物质科学中心的Yoshihiro Iwasa说，他领导了这项研究。
所讨论的材料是二硫化钼（MoS2），它可以被分离成原子薄层。每一层都由夹在硫原子层之间的钼原子组成。根据这些硫原子的排列方式，MoS2可以存在于两种不同的结构相中：2H相和1T相，前者表现为半导体，后者表现为金属。
Yoshihiro Iwasa指出：“2H二硫化钼在下一代半导体器件中非常有前途。”
钾离子引导相变
为了探索这种材料是如何在不同相之间转换的，研究人员建造了一个场效应晶体管，并将其连接到2H相二硫化钼样品上。通过调节施加在晶体管上的电压，他们能够高精度地控制钾离子插入材料。
随着钾浓度的增加，材料突然从2H相过渡到1T相。这种变化发生在每5个钼原子中大约有2个钾离子时，突出了离子浓度和相行为之间的明确联系。
触发超导
然后，通过插入适量的钾并将样品冷却到-268°C，研究人员发现1T相变成了超导体。
虽然之前在2H相中发现了超导性，但在1T相中发现了超导性是出乎意料的，而且发生在不同的温度下。“对我们来说最大的惊喜是，当我们引入钾离子时，我们观察到了超导性，”Yoshihiro Iwasa说。
意外过渡到绝缘
更多的惊喜在等着你。当研究人员让钾从1T二硫化钼中泄漏出来，直到它含有相对较低的离子水平，并将其温度设定在-193℃时，这种材料从金属变成了绝缘体。
“我们发现这很有趣，因为我们没有预料到这种现象会发生，”Yoshihiro Iwasa说。
这些结果表明，以这种方式引入钾离子是控制二硫化钼等二维材料结构和性能的有力方法。
十年方法论和未来发现
“在过去的十年里，我们一直在开发这种方法，”Yoshihiro Iwasa说。“我们已经证明，它不仅对探索超导体和相关电子相的新特性有用，而且对发现新的超导体也很有用。”
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